无线网络传感器

1无线通信物理层的主要技术：介质和频段的选择、调制和扩频技术介质：电磁波和声波；电磁波包括：无线电波、微波、红外线、毫米波、光波；频段：无线电波传输距离与频率有关，频率低，容易穿过障碍物，但能量损耗快；频率高，不容易穿过障碍物，传输距离受限。ISM频段调制：基带信号经过调制，转换为调制信号，在通道中传输。模拟/数字调制：用模拟/数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟/数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。数字调制方式：数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(AmplitudeShiftKeying,ASK)、频移键控(FrequencyShiftKeying,FSK)和相移键控(PhaseShiftKeying,PSK)。扩频技术：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；方法：频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)、跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)、跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)宽带线性调频扩频(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，简称切普扩频)。扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;抗干扰性强，误码率低；隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;可以实现码分多址;抗多径干扰;能精确地定时和测距;适针对无线传感器网络的特点，维现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在433~464MHz、902~928MHz和2.4~2.5GHz的ISM波段。MAC协议：介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：⑴采用分布式控制还是集中控制；⑵使用单一共享信道还是多个信道；⑶采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。分类：(1)时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。随机竞争接入方式。节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC协议。竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。IEEE802.11MAC协议分为分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)点协调功能(PointCoordinationFunction，PCF)两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。IEEE802.11MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrameSpace，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级：SIFS(shortIFS):最短帧间间隔。PIFS(PCFIFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。DIFS(DCFIFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。随机退避时间按下面公式进行计算：退避时间=Random()XaSlottime其中，Random()是在竞争窗口［0，CW］内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。

网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者节如节翎节点C节，初节点冗口节如节翎节点C节，初节点冗口退诲时间■剩余1函跑间;;竞争窗口， 门贞1: 1802.11MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(SensorMAC)。通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因：空闲监听数据冲突串扰控制开销（1） 周期性侦听和睡眠机制S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。（2） 流量自适应侦听机制流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间内接收到RTS分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有接收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。（3） 冲突和串音避免机制为了减少冲突和避免串音，S-MAC协议采用了与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行S-MAC协议的节点进入睡眠状态。（4） 消息传递机制S-MAC协议采用了消息传递机制，可以很好地支持长消息的发送。由于无线信道的传输差错与消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。消息传递机制根据这一原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。路由协议概述1路由选择（routing）是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。2应用的角度出发，将路由协议分为四类（1） 能量感知路由协议：讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题（2） 基于查询的路由协议：，通信流量主要是查询节点和传感器探测节点之间的命令和数据传输，同时传感器探测节点的采集信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。（3） 地理位置路由协议：这类与坐标位置有关的应用问题中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点的路由选择功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。（4） 可靠的路由协议：传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，可能在可靠性和实时性等方面有特别要求典型路由协议：定向扩散路由定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段:国兴建传精 （W榜度建立 遍加倒控（1）兴趣扩散阶段在路由协议的兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个节点在本地保存一个兴趣列表，对于每一个兴趣内容，列表中都有一个表项记录发来该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等任务相关信息，以建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。每个兴趣可能对应多个邻居节点，每个邻居节点对应一个梯度信息。（2） 数据传播阶段当传感器探测节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照